閥控式鉛酸蓄電池液面參數檢測系統硬件設計

畢亞軍　李紅飛

【摘? ?要】? ?介紹一種閥控式鉛酸蓄電池（VLRA）液面參數檢測系統的硬件結構和特點。系統主機模塊采用AT89C51單片機結合顯示、擴展存儲和看門狗技術；從機模塊采用AT89C2051單片機驅動線陣CCD實現非接觸測量；紅外傳輸模塊采用RS-232串口轉紅外技術實現數據傳輸。系統具有布線少、體積小、精度高、非接觸測量等特點。

【關鍵詞】? ?閥控式鉛酸蓄電池；液面參數檢測；AT89C51；紅外技術

The Hardware Design of Lead-acid Battery Liquid Level Detection System

Bi Yajun1， Li Hongfei2

（1.North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang 065000， China;

2.Beijing Xinyuan Electronic Information Technology Co.， Ltd.， Beijing 100089， China）

【Abstract】? ? The structure and advantages of a detection system for VLRA liquid level were introduced. The host module of system adopts MCU AT89C51 and combined with display， expanded storage and the watch dog. The slave module adopts MCU AT89C2051， which can driver the linear CCD in order to realize non-contact measurement. The infrared transmission module uses RS-232 serial port converted to infrared technology to realize delivering data. The advantages of system include less wiring， small size， high measure precision and strong practicality， etc.

【Key words】? ? ?VLRA; liquid level detection; AT89C51; infrared technology

〔中圖分類號〕? ?TM912.1? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2023）02- 0018 - 05

0? ? ?引言

閥控式鉛酸蓄電池（VLRA）作為直流備用電源廣泛應用于電力電子系統。由于電極制備工藝的特殊性以及運行狀態的多樣性，在充放電過程中，VLRA內部會發生一系列電化學反應，造成蓄電池性能及參數變化，嚴重時會產生一定程度失效［1，2］。例如：VLRA充電時內部電化學反應伴隨著氣體的產生與再化合過程。過充狀態下產生氣體的速度大于氣體再化合的速度，導致一部分氣體逸出而造成電池液位下降［3，4］。蓄電池正常充放電過程需要其內部電解液液面保持一定高度，如果液面高度不夠，會使極板上部長時間接觸空氣而硫化，造成電池容量和使用壽命下降。

在一些大型電力電子系統中，VLRA組工作空間緊湊、數量眾多。若采用人工方式檢查蓄電池液面參數，則操作不便且精度較差。由于蓄電池密封不嚴和減壓閥正常調節內部氣壓而排出氣體等因素，蓄電池在使用中會有一定量的酸霧和氫氣溢出，對檢測人員安全造成影響。

為避免因電池性能下降對大型電力電子系統可靠性產生影響，本文基于AT89C51單片機和無線紅外數據傳輸，對VLRA液面參數檢測裝置硬件結構和功能進行了設計。該裝置由主機模塊、紅外無線傳輸模塊和從機模塊三個部分組成，整個系統可集成在蓄電池內，定時巡回檢測蓄電池液面參數并自動完成數據傳輸和處理，實現對蓄電池液面參數的實時、非接觸式檢測的目標。

1? ? ?系統硬件設計

1.1? ?主機模塊

系統主機模塊由AT89C51單片機、顯示單元、掉電保護和存儲單元構成，主要功能包括系統配置、系統控制、數據存儲及數據顯示。主機模塊的系統框圖如圖1所示。

1.1.1? ?主機模塊單片機

主機系統采用ATMEL公司AT89C51型單片機，是一種低電壓、高性能的CMOS結構8位單片機。片內具有4k bytes可反復擦寫Flash只讀程序存儲器（ROM）和128 bytes隨機存取數據存儲器（RAM）。該單片機采用高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大、性價比高［5］。

1.1.2? ?顯示電路

顯示電路采用74LS164和74LS138作為擴展芯片。74LS164是一個8位串入并出移位寄存器，其功能是將AT89C51單片機輸出的串行數據進行譯碼并在其并口上輸出，從而驅動數碼管。74LS138 為3-8譯碼器，其功能是將單片機輸出的地址信號進行譯碼以實現驅動數碼管動態掃描顯示。由于74LS138電流驅動能力較小，所以采用驅動三極管2SA1015作為地址驅動。將4位數碼管的段選信號連在一起，公共端則由74LS138分時選通，可實現動態掃描顯示［6］。顯示電路的結構如圖2所示。

1.1.3? ?掉電保護和擴展存儲電路

掉電保護電路采用Maxim公司的X25043。該芯片具有看門狗定時器、電壓監控和E2PROM三種功能［7］。X25043的看門狗定時器為微控制器提供了獨立的保護，可選超時周期有1.4s、600ms、200ms。當系統出現故障時，在超出所選的超時周期以后，X25043看門狗將發出RESET信號使系統復位。X25043還集成有低VCC檢測電路，當VCC降到最小VCC檢測電平時，RESET變為低電平，使系統復位，直至VCC升至最小VCC檢測電平時間達200ms為止。X25043還具有512×8位串行E2PROM，可兼做數據存儲器（RAM）而無需另外擴展。掉電保護電路和擴展存儲電路如圖3所示。

1.2? ?從機模塊

從機模塊線陣CCD作為蓄電池液位傳感器，主要用于鉛酸蓄電池液面參數的采集。主芯片采用8位單片機AT89C2051驅動線陣CCD采集蓄電池液面數據，再經A/D轉換送至AT89C2051。由于從機系統數據傳輸是在線進行的，可采用單片機片內自帶存儲單元做為數據存儲單元。從機模塊結構框圖如圖4所示。

1.2.1? ?從機模塊單片機

AT89C2051最高振蕩頻率可達24MHz，適于驅動高速CCD。該單片機I／O端口較少、體積較小，適于作小型應用系統的處理器。

1.2.2? ?線陣CCD及其驅動電路

線陣CCD選用NEC公司生產的μPD3575D。該芯片為20腳DIP封裝，像敏單元數目為1024，大小為14μm×l41μm×l4μm（相鄰像元中心距為14μm）。光敏區域采用高靈敏度和低暗電流PN結作為光敏單元，內置采樣保持電路和輸出放大電路，外觀尺寸為25.5mm×10.0mm，易于裝卸。該器件工作在5V驅動脈沖和12V電源條件下［8］。驅動電路如圖5所示。

1.2.3? ?模/數轉換電路

模/數轉換電路采用AD0804芯片，將CCD測量得到的電壓量轉換成數字量傳入單片機的數據總線。模/數轉換電路如圖6所示。

1.3? ?紅外無線傳輸接口電路

系統采用RS232串口轉紅外無線技術作為主機與PC機之間的數據通信方式，避免了大量布置電力線纜帶來的維修、檢測和更換的不便［9］。由于電池內外需要相互隔離并能進行數據傳輸，使用紅外無線通信可有效避免對系統其他設備造成電磁干擾。

1.3.1? ? 紅外通信的基本原理

紅外通信是利用950nm近紅外波段的紅外線作為通信信道。發送端采用脈時調制（PPM）方式，將二進制數字信號調制成某一頻率的脈沖序列，并驅動紅外發射管以光脈沖的形式發送出去；接收端將接收到的光脈沖轉換成電信號，再經放大、濾波等處理后送至解調電路進行解調，還原為二進制數字信號后輸出。

1.3.2? ? 單片機紅外串行通信接口

由于單片機本身不具備紅外通信接口，可利用單片機的串行接口與片外紅外發射/接收電路組成紅外串行通信接口，紅外發射擴展電路與紅外接收擴展電路如圖7、圖8所示。

紅外發射擴展電路包括脈沖振蕩器、驅動管T1和T2、紅外發射管D1和D2等。脈沖振蕩器由NE555定時器及電阻R1、R2和電容C1、C2組成，用以產生38kHz的脈沖序列作為載波信號；紅外發射管D1和D2選用Vishay公司生產的TSAL6238，用來發射950nm的紅外光束。紅外發射電路工作時，串行數據由單片機串行輸出端TXD送出并驅動T1管，若為低電平“0”則使T1管導通，通過T2管調制成38kHz的載波信號，并利用兩個紅外發射管D1和D2以光脈沖的形式向外發送，若輸出高電平“1”則使T1管截止，紅外發射管D1和D2不發射紅外光。設傳送的波特率為1200bps，則每個低電平“0”對應32個載波脈沖。調制信號的時序如圖9所示。

紅外接收電路選用Vishay公司生產的專用紅外接收模塊TSOP1738。該模塊是一個三端元件，使用單電源+5V供電，具有功耗低、抗干擾能力強、輸入靈敏度高、對其它波長（950nm以外）的紅外光不敏感等特點。TSOP1738工作時，先通過紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38kHz的脈沖調制紅外光信號轉化為電信號；再由前放大器和自動增益控制電路進行放大處理并經帶通濾波器濾波；濾波后的信號由解調電路進行解調，由輸出級電路進行反向放大輸出。

為保證紅外接收模塊TSOP1738接收的精度，要求發送端載波信號的頻率應盡可能接近38kHz，因此在設計脈沖振蕩器時，要選用精密元件并保證電源電壓穩定。發送的低電平“0”至少要對應14個載波脈沖，這就要求傳送的波特率不能超過2400bps。

1.3.3? ?PC機紅外接收電路

標準的RS232電平是負邏輯。只要使能DTR和RTS這兩個引腳就可以輸出+15V電平，從而給紅外接收電路供電［10］。因此，設計紅外接收擴展電路如圖10所示。D1、D2和D4起隔離作用，R8主要用來保護PC串口，C4和C5為濾波電容，J3是紅外接收模塊TSOP1738，其接收中心頻率為38KHz，可完成從紅外接收、濾波到解調的全部過程。D4為指示燈，當接收到紅外信號時LED會閃亮。

2? ? ?結語

與同類設備相比，本文設計的閥控式鉛酸蓄電池（VLRA）液面參數檢測系統具有布線少、成本低、精度高、便于維護等特點。利用線陣CCD實現了在酸性和腐蝕性條件下的非接觸測量，避免了因傳感器腐蝕帶來的系統損壞。采用RS232串口轉紅外無線技術，避免了大量傳輸線纜的連接，同時又保證了數據采集精度，功能性和易用性均能滿足工程實際需求。

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[收稿日期]? ?2023-01-02

[基金項目]? ?河北省高等學?？茖W技術研究項目（ZC2021204）；北華航天工業學院科研基金項目（ZD-2022-02）

[作者簡介]? ?畢亞軍（1974- ），男，碩士，北華航天工業學院副教授，研究方向：檢測技術與自動化裝置。